Em 2400, a humanidade começa a terraformar Marte. Corporações, patrocinadas pelo Governo Mundial, iniciam grandes projetos para aumentar a temperatura, o nível de oxigênio e a cobertura do oceano até que o ambiente se torne habitável. Em Terraforming Mars você joga com uma dessas corporações e trabalham no processo de terraformação, mas competem para obter pontos de vitória que são concedidos não só pela sua contribuição para a terraformação, mas também pelo avanço da infraestrutura nos sistemas solares.
Os jogadores adquirem cartas de projeto únicas. Os projetos podem representar qualquer coisa, desde a introdução de plantas ou animais, arremessar asteroides na superfície, construir cidades para a mineração ou estabelecer indústrias de gás com efeito estufa para aquecer a atmosfera. As cartas podem lhe dar bônus imediatos, bem como aumentar a sua produção de diferentes recursos.